CN108198220B - 一种光学相机图像曲面精确标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学相机图像曲面精确标定方法，该方法如下：在显示屏屏幕中心固定一个亮度恒定的标定目标；将相机固定在云台上，点亮标定目标使其相机有效视场上所成的像为一个光斑；通过云台控制相机按设定角度步长转动，每转动一次采集光斑亮度数据并记录对应的相机俯仰角和方位角数据，从而得到相机有效视场亮度曲面；对该曲面进行补偿修正即得到相机标定后的有效视场亮度平面。本发明解决了光学相机有效视场图像曲面精确标定问题，方法简单、成本低，突破了光学相机有效视场图像曲面标定的技术瓶颈，可以完成在大视场工程应用的光学平面标定，应用价值高。

Description

一种光学相机图像曲面精确标定方法
技术领域
本发明属于LED显示屏采集校正技术领域，涉及一种光学相机采集图像的曲面精确标定方法。
背景技术
随着LED显示领域的快速发展，LED显示屏的应用需求也在不断涌现，LED显示屏的显示效果成了制约LED显示领域发展的重要因素之一。由于发光二极管的离散性、衰减性等原因，LED显示屏存在亮度显示不均匀的问题，严重影响显示效果。为了克服该问题，LED显示屏的逐点亮度校正技术应运而生，且发展迅速，极大提高了显示质量。
目前主要应用的LED逐点校正技术是通过工业相机(CCD或者CMOS)，或者单反民用相机及手机拍摄对显示屏进行逐点采集，得到显示屏上每颗LED灯珠的红绿蓝三基色相对亮度值，根据相对亮度值计算出每个像素基色各自的校正系数，上传数据并保存，达到屏幕均匀度校正的目的。但是，用于校正的工业相机或者单反相机并不是标准的亮度测量仪器，没有经过严格的标定，所以，在图像采集过程中由于镜头的畸变，相机的渐晕等因素导致采集图像存在严重的曲面现象，极大影响校正后显示效果。
为了解决上述问题，目前主要采用的均匀场标定方法虽然有效的修正了相机的采集曲面，但是均匀场的制造困难且价格高，不利于工程应用；而其他方法不能很好的修正曲面。所以，相机采集曲面成为采集校正的难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种通过云台带动相机转动采集亮度数据并对其进行处理实现相机图像曲面的精确标定的光学相机图像曲面精确标定方法，该方法简便有效、成本低。
为了解决上述技术问题，本发明的光学相机图像曲面精确标定方法，采用两种技术方案。
技术方案一
本发明的光学相机图像曲面精确标定方法如下：
步骤一、在显示屏屏幕中心固定一个亮度恒定的标定目标，所述标定目标内包含单一或多个红绿蓝三基色发光芯片；
步骤二、将相机固定在云台上，相机可在云台上作绕X轴的俯仰转动和绕Y轴的方位转动；当相机归零位，即俯仰角和方位角均为零时，相机镜头正对显示屏屏幕中心法线方向；
步骤三、点亮标定目标内其中一个基色发光芯片，此时标定目标在相机有效视场上所成的像为一个光斑；
步骤四、通过云台控制相机连续转动采集光斑亮度数据并记录对应的相机俯仰角和方位角数据，得到相机有效视场亮度曲面；
步骤五、对相机有效视场亮度曲面进行补偿修正，得到相机标定后的有效视场亮度平面；
步骤六、依次点亮标定目标内其他两个基色的发光芯片，重复步骤四～步骤五，完成光学相机图像曲面的标定。
技术方案二
本发明的光学相机图像曲面精确标定方法如下：
步骤一、在显示屏屏幕中心固定一个亮度恒定的标定目标，所述标定目标内包含单一或多个红绿蓝三基色发光芯片；
步骤二、将相机固定在云台上，相机可在云台上作绕X轴的俯仰转动和绕Y轴的方位转动；当相机归零位，即俯仰角和方位角均为零时，相机镜头正对显示屏屏幕中心法线方向；
步骤三、点亮标定目标内其中一个基色发光芯片，此时标定目标在相机有效视场上所成的像为一个光斑；
步骤四、通过云台控制相机按设定的角度步长和方向转动，每转动一个步长采集一个光斑亮度数据，同时记录对应的相机俯仰角和方位角数据，得到相机有效视场内离散的光斑亮度数据；
步骤五、对离散的光斑亮度数据进行插值运算，得到相机有效视场亮度曲面；对相机有效视场亮度曲面进行补偿修正，得到相机标定后的有效视场亮度平面；
步骤六、依次点亮标定目标内其他两个基色的发光芯片，重复步骤四～步骤五，完成光学相机图像曲面的标定。
所述的标定目标为包含一个或多个像素的LED显示模块，或者为包含一个或多个像素的LED光源。
所述的云台，其方位方向角度步进范围为±25°以内；俯仰方向角度步进范围为±15°以内。
所述步骤四中，采集光斑亮度数据前还可以首先确定相机边缘临界角度，确定方法如下：设定相机的角度步长为1°；控制相机从零位向下转动，使相机有效视场中采集的光斑亮度数据从有至无，确定当光斑亮度等于0时相机的俯仰角为相机上边缘极限角度；将上边缘极限角度缩2％后作为相机上边缘临界角度；然后控制相机归零位，再控制相机向上转动，使相机有效视场中采集的光斑亮度数据从有至无，确定当光斑亮度等于0时相机的俯仰角为相机下边缘极限角度；将边缘极限角度缩2％后作为相机下边缘临界角度；同理控制相机向左、右转动分别获得相机左边缘临界角度和右边缘临界角度。
所述步骤四中，在采集光斑亮度数据过程中按照下述方式控制相机转动：设定相机的角度步长为1°，控制相机转动直至俯仰角达到上边缘临界角度、方位角达到左边缘临界角度，然后向右作方位转动，直至相机方位角达到右边缘临界角度，停止转动；控制相机向下俯仰转动一个角度步长，然后再控制相机向左作方位转动，直至相机方位角达到左边缘临界角度，停止转动；控制相机向下俯仰转动一个角度步长；如此往复转动相机，直至相机转动至俯仰角达到下边缘临界角度、方位角达到右边缘临界角度。
所述步骤四中，还可以将上边缘临界角度、下边缘临界角度、左边缘临界角度和右边缘临界角度加上1°后分别作为上边缘临界修正角度、下边缘临界修正角度、左边缘临界修正角度和右边缘临界修正角度；采集光斑亮度数据按照下述方式控制相机转动：首先控制相机转动直至俯仰角达到上边缘临界修正角度、方位角达到左边缘临界修正角度，然后向右作方位转动，直至相机方位角达到右边缘临界修正角度，停止转动；控制相机向下俯仰转动一个角度步长，然后再控制相机向左作方位转动，直至相机方位角达到左边缘临界修正角度，停止转动；控制相机向下俯仰转动一个角度步长；如此往复转动相机，直至相机转动至俯仰角达到下边缘临界修正角度、方位角达到右边缘临界修正角度。
本发明采用相对简便有效的方法解决了光学相机有效视场图像曲面精确标定问题，有效的修正了相机的有效视场光学采集曲面，具有极大的科学和工程应用价值。突破了传统方法需要利用制造难度高且价格昂贵的光学均匀白场装置进行光学相机有效视场图像曲面标定的技术瓶颈，而且可以完成在大视场工程应用的光学平面标定，应用价值高。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明的光学相机图像曲面精确标定方法示意图。
具体实施方式
如图1所示，在显示屏屏幕2的中心固定一个亮度恒定的标定目标3，标定目标3内包含单一或多个红绿蓝三基色发光芯片；相机1固定在一个具有双自由度的云台上，相机1可在云台上作绕X轴的俯仰转动和绕Y轴的方位转动；相机1归零位时俯仰角和方位角均为零时，此时相机1的镜头正对显示屏屏幕2的中心法线方向。所述相机1采用CMOS型或CCD科学型或工业型相机，也可以采用单反民用相机及手机。
由于相机1的有效视场水平方位方向有效视角一般在±20°以内，所以控制云台在有效视场水平方位方向角度步进范围为±25°以内；由于相机1的有效视场俯仰方向有效视角一般在±10°以内，所以控制云台在有效视场俯仰方向角度步进范围为±15°以内。
所述的标定目标3为包含一个或多个像素的LED显示模块或者为包含一个或多个像素的LED光源；标定目标3可以为任意形状。标定目标3在相机1有效视场上所成的像为一个光斑，光斑在相机1有效视场内的位置随着相机1在方位方向和俯仰方向的转动而改变。
控制云台按角度步进方式运动，相机1在云台上每转动一次，都采集一个光斑亮度数据并记录相机1的转动角度。当角度步长较小时，相机采集连续的光斑亮度数据，即得到相机1有效视场亮度数据曲面；当角度步长较大时，相机1采集离散的光斑亮度数据，根据离散的光斑亮度数据进行插值运算即可得到相机有效视场亮度曲面，对相机有效视场亮度曲面进行补偿修正，即可得到该相机标定后的亮度平面。
本发明的光学相机图像曲面精确标定方法具体如下：
如图1所示，标定目标3为显示屏上10×10像素组成的正方形显示区域。点亮标定目标3内所有像素，调整像素的亮度至最大数值的80％；调整相机1归零位，此时相机1的镜头正对显示屏屏幕2的中心法线方向，标定目标3在相机有效视场中心成像，所成的像为一正方形光斑。
在采集光斑亮度数据前，首先要确定相机1边缘临界角度。确定方法如下：设定相机1的角度步长为1°；控制相机1向下转动，使相机1有效视场中采集的光斑亮度数据从有至无，确定当光斑亮度等于0时相机1的俯仰角为相机上边缘极限角度；由于有鼓形失真，所以将上边缘极限角度缩2％后作为相机1上边缘临界角度；然后控制相机1归零位，再控制相机1向上转动，使相机1有效视场中采集的光斑亮度数据从有至无，确定当光斑亮度等于0时相机1的俯仰角为相机下边缘极限角度；由于有鼓形失真，所以将边缘极限角度缩2％后作为相机下边缘临界角度；同理控制相机1向左、右转动分别获得相机左边缘临界角度和右边缘临界角度。
采集光斑亮度数据时，首先点亮标定目标3内红基色发光芯片，设定相机1的角度步长为1°；控制相机1转动直至俯仰角达到上边缘临界角度、方位角达到左边缘临界角度，然后向右作方位转动，直至相机1方位角达到右边缘临界角度，停止转动；控制相机1向下俯仰转动一个角度步长，然后再控制相机1向左作方位转动，直至相机1方位角达到左边缘临界角度，停止转动；控制相机1向下俯仰转动一个角度步长；如此往复转动相机1，直至相机1转动至俯仰角达到下边缘临界角度、方位角达到右边缘临界角度；在此过程中，相机1每转动一个角度步长采集一个光斑亮度数据并记录对应的相机1俯仰角和方位角，最终得到相机1有效视场内离散的光斑亮度数据及对应的相机1俯仰角和方位角数据；最后对离散的光斑亮度数据进行插值运算，得到相机1有效视场亮度曲面；对相机有效视场红基色亮度曲面进行补偿修正，得到相机标定后的红基色亮度平面。
同理，依次点亮标定目标内绿基色发光芯片和蓝基色发光芯片，按照与红基色相同的方法对相机有效视场绿基色亮度曲面、蓝基色亮度曲面进行补偿修正，得到相机标定后的绿基色亮度平面和蓝基色亮度平面，从而完成相机有效视场图像亮度曲面的标定。
本发明还可以将上边缘临界角度、下边缘临界角度、左边缘临界角度和右边缘临界角度加上1°后分别作为上边缘临界修正角度、下边缘临界修正角度、左边缘临界修正角度和右边缘临界修正角度。采集光斑亮度数据时，首先控制相机转动直至俯仰角达到上边缘临界修正角度、方位角达到左边缘临界修正角度，然后向右作方位转动，直至相机方位角达到右边缘临界修正角度，停止转动；控制相机向下俯仰转动一个角度步长，然后再控制相机向左作方位转动，直至相机方位角达到左边缘临界修正角度，停止转动；控制相机向下俯仰转动一个角度步长；如此往复转动相机，直至相机转动至俯仰角达到下边缘临界修正角度、方位角达到右边缘临界修正角度。
本发明不限于上述实施方式，确定相机边缘临界角度时，相机还可以首先作方位转动确定左边缘临界角度和右边缘临界角度，然后作俯仰转动确定上边缘临界角度和下边缘临界角度；还可以采用其他次序确定各边缘临界角度。在采集光斑亮度数据时，还可以首先控制相机转动直至俯仰角达到上边缘临界角度、方位角达到左边缘临界角度，然后向下作俯仰转动直至俯仰角达到下边缘临界角度，向右转动一个角度步长后在向上作俯仰转动直至俯仰角达到上边缘临界角度，如此往复直至相机俯仰角达到下边缘临界角度、方位角达到右边缘临界角度。采集光斑亮度数据时，相机还可以以任意次序转动采集光斑亮度数据并记录对应的相机俯仰角和方位角数据；从而对相机图像曲面进行标定。所述的云台采用现有技术中的双自由度云台，其结构不限，只要能够实现绕X俯仰转动和绕Y轴方位转动即可。

Claims (6)

1.一种光学相机图像曲面精确标定方法，其特征在于包括下述步骤：
步骤一、在显示屏屏幕(2)中心固定一个亮度恒定的标定目标(3)，所述标定目标(3)内包含单一或多个红绿蓝三基色发光芯片；
步骤二、将相机(1)固定在云台上，相机(1)可在云台上作绕X轴的俯仰转动和绕Y轴的方位转动；当相机归零位，即俯仰角和方位角均为零时，相机镜头正对显示屏屏幕中心法线方向；
步骤三、点亮标定目标(3)内其中一个基色发光芯片，此时标定目标(3)在相机(1)有效视场上所成的像为一个光斑；
步骤四、控制云台按角度步进方式运动，相机(1)在云台上每转动一次，都采集一个光斑亮度数据并记录对应的相机俯仰角和方位角数据；当角度步长较小时，相机采集连续的光斑亮度数据，得到相机有效视场亮度数据曲面；当角度步长较大时，相机采集离散的光斑亮度数据，根据离散的光斑亮度数据进行插值运算得到相机有效视场亮度曲面；
步骤五、对相机有效视场亮度曲面进行补偿修正，得到相机标定后的有效视场亮度平面；
步骤六、依次点亮标定目标(3)内其他两个基色的发光芯片，重复步骤四～步骤五，完成光学相机图像曲面的标定。
2.根据权利要求1所述的光学相机图像曲面精确标定方法，其特征在于所述的标定目标为包含一个或多个像素的LED显示模块，或者为包含一个或多个像素的LED光源。
3.根据权利要求1所述的光学相机图像曲面精确标定方法，其特征在于所述的云台，其方位方向角度步进范围为±25°以内；俯仰方向角度步进范围为±15°以内。
4.根据权利要求1所述的光学相机图像曲面精确标定方法，其特征在于所述步骤四中，采集光斑亮度数据前首先确定相机边缘临界角度，确定方法如下：设定相机(1)的角度步长为1°；控制相机(1)从零位向下转动，使相机(1)有效视场中采集的光斑亮度数据从有至无，确定当光斑亮度等于0时相机(1)的俯仰角为相机上边缘极限角度；将上边缘极限角度缩2％后作为相机上边缘临界角度；然后控制相机(1)归零位，再控制相机(1)向上转动，使相机(1)有效视场中采集的光斑亮度数据从有至无，确定当光斑亮度等于0时相机(1)的俯仰角为相机下边缘极限角度；将边缘极限角度缩2％后作为相机下边缘临界角度；同理控制相机1向左、右转动分别获得相机左边缘临界角度和右边缘临界角度。
5.根据权利要求4所述的光学相机图像曲面精确标定方法，其特征在于所述步骤四中，在采集光斑亮度数据过程中按照下述方式控制相机转动：设定相机(1)的角度步长为1°，控制相机转动直至俯仰角达到上边缘临界角度、方位角达到左边缘临界角度，然后向右作方位转动，直至相机方位角达到右边缘临界角度，停止转动；控制相机向下俯仰转动一个角度步长，然后再控制相机向左作方位转动，直至相机方位角达到左边缘临界角度，停止转动；控制相机向下俯仰转动一个角度步长；如此往复转动相机，直至相机转动至俯仰角达到下边缘临界角度、方位角达到右边缘临界角度。
6.根据权利要求4所述的光学相机图像曲面精确标定方法，其特征在于所述步骤四中，将上边缘临界角度、下边缘临界角度、左边缘临界角度和右边缘临界角度加上1°后分别作为上边缘临界修正角度、下边缘临界修正角度、左边缘临界修正角度和右边缘临界修正角度；采集光斑亮度数据按照下述方式控制相机转动：首先控制相机转动直至俯仰角达到上边缘临界修正角度、方位角达到左边缘临界修正角度，然后向右作方位转动，直至相机方位角达到右边缘临界修正角度，停止转动；控制相机向下俯仰转动一个角度步长，然后再控制相机向左作方位转动，直至相机方位角达到左边缘临界修正角度，停止转动；控制相机向下俯仰转动一个角度步长；如此往复转动相机，直至相机转动至俯仰角达到下边缘临界修正角度、方位角达到右边缘临界修正角度。
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